CN106956784B - 一种梯度分布式加筋筒壳结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空航天中主承力薄壁构件设计领域，提供一种梯度分布式加筋筒壳结构，本发明在筒壳刚度突变等易损区域，通过合理布置梯度分布式加筋，使得结构整体刚度分布更均匀，有效抑制刚度突变等易损区域局部失稳变形的扩展，并减少应力集中破坏现象的发生，最终提高筒壳结构的承载能力；其中，梯度分布式加筋的数目，尺寸与布局信息根据筒壳结构的直径、高度和厚度确定。本发明能够显著提高刚度突变筒壳结构的补强效率，且工艺简便可大规模量生产。

Description

一种梯度分布式加筋筒壳结构

技术领域

本发明涉及航空航天中主承力薄壁构件设计领域，尤其涉及一种梯度分布式加筋筒壳结构。

背景技术

由于具有较高的比刚度和比强度，加筋筒壳结构广泛地应用于运载火箭的燃料贮箱和级间段等航天结构中。根据运载火箭箭体结构服役期间受载情况可知，轴压载荷是加筋筒壳结构的主要受载工况。在轴压工况下，加筋筒壳结构的主要破坏模式是屈曲失稳，包括结构整体失稳、蒙皮局部失稳、筋条局部失稳和材料塑性失稳。针对加筋筒壳结构的最优设计方案为等强度设计，即上述几种失稳模式同时发生，可充分发挥结构和材料潜能，实现结构减重和提高承载效率的目的。在实际的箭体结构制造中，由于结构或者功能型需求，加筋筒壳结构中不可避免的存在着刚度突变等易损区域，如集中力作用区域，焊缝，削弱槽等。这种刚度突变等易损区域，会在加筋筒壳局部产生较大的变形或者应力集中，导致局部失稳过早发生，这会对结构的最终承载性能造成较大折减。但目前工程中加筋补强方法还是以等尺寸-等布局为主，这样的处理无法有效考虑局部刚度突变及结构整体传力路径的影响，导致加筋补强效率低下，产生了较多的结构废重。从结构设计的角度出发，为了有效提高加筋筒壳结构对刚度突变等易损区域的承载能力，亟需提出新颖而高效的补强方案。

自然界中的很多生物结构都表现出非均匀的结构分布特征，并因此带来了优异的承载性能。如棕榈树枝，其结构的直径沿着长度方向呈梯度式分布，这样的结构形式有利于抵抗风荷载的作用，减小结构变形。受此仿生学结构启发，可以利用梯度分布的加筋结构特征来抵抗局部刚度突变引起的局部失稳变形扩展，而且这种非均匀设计可以进一步挖掘结构减重空间，取得更大的结构承载性能增益。同时，先进加工制造技术的快速发展，也将有力保证这种创新构型的实现与量产。

综上所述，目前有必要提出一种有效的梯度分布式加筋筒壳结构。

发明内容

本发明的目的是：针对传统的等尺寸-等布局加筋筒壳结构方案，为了改善其补强效率低、设计空间小的缺点，提出一种新型尺寸-布局协同梯度分布的加筋筒壳构型，达到提高加筋筒壳承载性能的目的。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种梯度分布式加筋筒壳结构包括筒状的蒙皮和加筋，蒙皮上有易损区域，在蒙皮内部布置梯度分布式的加筋，形成一种补强结构。所述的加筋的布置方式为：所述的易损区域为筒壳结构刚度突变区，首先在筒壳结构刚度突变区中心处布置一个基准筋条，标记为第0号筋条；然后以第0号筋条为对称中心，沿筒壳环向或者轴向布置梯度分布式加筋，标记为第1～N号筋条，并基于梯度分布式函数表征加筋的尺寸与布局信息；其中，第i号筋条和第i-1号筋条的布局信息和尺寸信息满足梯度关系，其中i＝1,2,…,N，所述的布局信息为筋条相对于基准筋条的距离，所述的尺寸信息为筋条的宽度、厚度和高度。同时，为实现承载性能最优化，梯度分布式加筋的数目、尺寸与布局信息能够根据筒壳结构的直径、高度和厚度由数值优化方法确定。

所述的梯度式分布函数包括线性函数、指数函数、正弦函数。

所述的梯度分布式的加筋类型为矩形、T型、L型、C型，加筋的材料为金属或复合材料。

所述易损区域包括集中力工况作用区域、焊缝、削弱槽。

所述的梯度分布式加筋补强筒壳结构通过机械铣削、化学铣削、共固化、胶结等方式进行加工。

本发明的有益效果是：本发明区别于传统的等尺寸-等布局加筋筒壳结构，由于梯度分布式加筋的引入，有效增大了结构优化空间，相较于传统结构形式更易寻找到更优的设计结果。此外，本发明可在刚度突变等易损区域抑制局部屈曲过早发生，并在远离刚度突变等易损区域抵抗屈曲变形的扩展，获得更优的刚度分布，比传统等尺寸-等布局加筋结构更具承载优势。随着先进加工制造技术的发展，本发明加工制造工艺简便，适合大规模量产。

附图说明

图1(a)为本发明一种梯度分布式加筋筒壳结构示意图；

图1(b)为图1(a)沿A-A方向的剖面图；

图2(a)为本发明针对集中力工况作用区域的指数函数梯度分布式矩形复合材料加筋筒壳结构示意图；

图2(b)为图2(a)沿A-A方向的剖面图；

图3(a)为本发明针对焊缝区域的正弦函数梯度分布式T型金属加筋筒壳结构示意图；

图3(b)为图3(a)沿A-A方向的剖面图；

图4(a)为本发明针对削弱槽区域的线性函数梯度分布式矩形金属加筋筒壳结构示意图；

图4(b)为图4(a)沿A-A方向的剖面图；

图5为本发明相较于等尺寸-等布局加筋补强方法的增益对比图；

图中：1易损区域；2蒙皮；3加筋。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

如图1(a)所示，是一种梯度分布式加筋筒壳结构，即围绕筒壳结构刚度突变等易损区域1，在蒙皮2上布置梯度分布式加筋3，布置方式为：首先在筒壳结构刚度突变等易损区域1中心处定义一个基准筋条(标记为第0号筋条)，然后以其为对称中心，沿筒壳环向或者轴向布置梯度分布式加筋(标记为第1～N号筋条)。其中，第N号筋条和第N-1号筋条之间的布局信息(即筋条相对于基准筋条的距离)和尺寸信息(筋条宽度、厚度等截面信息)满足梯度关系，其中i＝1,2,…,N。同时，为实现承载性能最优化，梯度分布式加筋的数目、尺寸与布局信息可根据筒壳结构的直径、高度和厚度等指标由数值优化方法确定。梯度分布式加筋筒壳结构可通过机械铣削、化学铣削、共固化、胶结等方式进行加工。

实施例1：

参照图2(a)，其筒壳结构刚度突变等易损区域1为集中力工况作用区域，以该区域为对称中心，在蒙皮2上沿环向布置梯度分布式加筋3。加筋截面形状为矩形，材料属性为复合材料。加筋所遵循的梯度分布式描述方式为指数函数，即第i号加筋相较于第i-1号加筋的尺寸(包含腹板高度、腹板厚度等变量)与布局信息(即筋条相较于基准筋条的距离)呈指数函数变化趋势，其中i＝1,2,…,N。

实施例2：

参照图3(a)，其筒壳结构刚度突变等易损区域1为焊缝，以该区域为对称中心，在蒙皮2上沿环向布置梯度分布式加筋3。加筋截面形状为T型，材料属性为金属铝合金。加筋所遵循的梯度分布式描述方式为正弦函数，及第i号加筋相较于第i-1号加筋的尺寸(包含腹板高度、腹板厚度、翼缘宽度、翼缘厚度等变量)与布局信息(即筋条相较于基准筋条的距离)呈正弦函数变化趋势，其中i＝1,2,…,N。

实施例3：

参照图4(a)，其筒壳结构刚度突变等易损区域1为削弱槽，以该区域为对称中心，在蒙皮2上沿轴向布置梯度分布式加筋3。加筋截面形状为矩形，材料属性为金属铝合金。加筋所遵循的梯度分布式描述方式为线性函数，即第i号加筋相较于第i-1号加筋的尺寸(包含腹板高度、腹板厚度等变量)与布局信息(即筋条相较于基准筋条的距离)呈线性函数变化趋势，其中i＝1,2,…,N。

以上内容是结合实施案例对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种梯度分布式加筋筒壳结构，其特征在于，所述的梯度分布式加筋筒壳结构包括筒状的蒙皮和加筋，蒙皮上有易损区域，在蒙皮内部布置梯度分布式的加筋，形成补强结构；所述的加筋的布置方式为：所述的易损区域为筒壳结构刚度突变区，在筒壳结构刚度突变区中心处布置一个基准筋条，标记为第0号筋条；以第0号筋条为对称中心，沿筒壳环向或者轴向布置梯度分布式加筋，标记为第1～N号筋条，并基于梯度分布式函数表征加筋的尺寸和布局信息；其中，第i号筋条和第i-1号筋条的布局信息和尺寸信息满足梯度关系，其中i＝1,2,…,N，所述的布局信息为筋条相对于基准筋条的距离，所述的尺寸信息为筋条的宽度、厚度和高度；

所述的梯度分布式加筋的数目、尺寸与布局信息根据筒壳结构的直径、高度和厚度确定；

所述的梯度分布式函数包括线性函数、指数函数、正弦函数。

2.根据权利要求1所述的一种梯度分布式加筋筒壳结构，其特征在于，所述易损区域包括集中力工况作用区域、焊缝、削弱槽。

3.根据权利要求1或2所述的一种梯度分布式加筋筒壳结构，其特征在于，所述的梯度分布式的加筋类型为矩形、T型、L型、C型。

4.根据权利要求1或2所述的一种梯度分布式加筋筒壳结构，其特征在于，所述的加筋材料为金属或复合材料。

5.根据权利要求3所述的一种梯度分布式加筋筒壳结构，其特征在于，所述的加筋材料为金属或复合材料。